基于振动信号分析的变压器故障诊断研究进展

王广庭，李阳海，杨　涛，苏世玮，赵家毅

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，武汉 430077，2.华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074）

基于振动信号分析的变压器故障诊断研究进展

王广庭1，李阳海1，杨涛2，苏世玮2，赵家毅2

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，武汉 430077，2.华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074）

近年来，利用电力变压器振动信号分析来诊断变压器的故障已经成为研究的新热点，该方法成为变压器故障诊断常规方法的有力补充。本文介绍了变压器常见的故障及其诊断方法，阐述了变压器振动法故障诊断的基本原理、基本过程，回顾总结了国内外变压器振动法故障诊断技术的发展情况，指出目前在变压器振动故障诊断的研究中存在的问题，并分析了其未来有价值的研究方向。

振动与波；变压器，振动信号分析，故障诊断

电力变压器是电网中最重要的设备，是输变电系统的心脏，其能否安全经济运行直接关乎到电网能否安全、高效、经济地运行。但是由于变压器长期在电网中运行，难免会发生各种故障和事故。如何减少变压器的故障，并对这些故障进行诊断和原因分析是变压器设计、运维中的热点问题。在长期理论研究和实践中，积累了许多有效的故障分析方法，其中基于振动信号分析的变压器故障诊断方法，是近年来在变压器故障诊断领域的新热点，也是对电力变压器故障诊断方法的有力补充。

1　变压器常见故障及诊断方法

1.1变压器常见故障

常见的变压器故障可细分为内部故障和外部故障，内部故障是指变压器本体内部绝缘或绕组出现的故障，外部故障是指变压器辅助设备出现的故障［1］。变压器外部故障为变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，其主要类型有：绝缘套管闪烙或破碎而发生的接地（通过外壳）短路，引出线之间发生相间故障等而引起变压器内部故障或绕组变形等。内部故障为变压器油箱内发生的各种故障，其主要类型有：各相绕组之间发生的相间短路，绕组线匝之间发生的匝间短路，绕组或引出线通过外壳发生的接地故障等。根据相关资料整理1990-1999年之间的328台100 kV及以上电压等级电力变压器事故和故障，分析得表1［2］。

表1　电力变压器故障统计

此外，由于变压器故障涉及面较广，具体类型的划分方式较多，若从变压器的主体结构划分，又可分为绕组故障，铁芯故障，分接开关故障和套管及其它附件故障。由上述统计数据发现，变压器的内部故障是变压器的主要故障，变压器的绕组和铁芯的故障是变压器的主要故障部件，其常见典型的内、外部故障树如图1所示，绕组和铁心故障树如图2-图3所示。

图1　变压器故障

图2　绕组故障

图3　铁芯故障

当前针对绕组和铁芯故障的相关研究中，都是单独对绕组或铁芯进行故障分析，并没有以一个完整的变压器作为研究对象。这些研究虽然可以对变压器的具体部件的故障状态诊断做出相关分析，有一定的指导意义，然而变压器的整体故障状态与具体某个部件之间还是有较大差距的，因此如何确定实际变压器整体的故障状态的研究才更具有现实意义。

1.2变压器常用故障诊断方法

变压器的外部故障大都是由于其内部故障波及外部产生的，根据统计资料，变压器的绕组与铁芯是变压器发生故障的主要部件。而目前针对这些主要的故障部位已经有了多种理论和实践上的检测方法。主要的方法有：电气预防性试验，通过检查变压器的出厂缺陷，判断设备是否符合设计要求；油色谱分析法，通过测试油中的异常物质含量来达到诊断故障的目的；噪声诊断法，利用变压器的振动噪声来检测绕组和铁芯的状况；基于专家系统的人工智能诊断方法，利用专家经验来填补其余方法在故障诊断上的不足［3-5］。这些方法各有优劣，对变压器的故障诊断亦大有裨益。近些年来，技术手段的提高使得基于振动信号分析的方法在变压器故障诊断上的应用开始成为热门。

2　变压器振动法故障诊断机理

2.1振动法故障诊断的机理

振动分析法是一种体外检测的分析方法，它利用传感器获取变压器运行过程中的振动信号，提取出其时域、频域的信息，通过分析这些信息，对比正常运行下的信息，来评估变压器的工作状态，分析其可能有的故障［6］。

振动是电力变压器运行过程中不可避免的状态，电力变压器振动主要来自两个方面：铁芯振动，绕组振动。铁芯通常由硅钢片叠制而成，铁磁性物质在磁化状态改变时会引起磁致伸缩效应，在交变磁场作用下，引起振动。而绕组中的负载电流会在铁心与绕组之间及绕组周围产生漏磁场，产生电磁力，而引起绕组的振动。此外，还有变压器的冷却系统比如风扇、油泵等，其本身也会产生振动。

因为变压器器身各位置的振动特征和距离最近的振源密切相关，因此可以根据器身各处测得的振动信号改变程度可以方便地判断哪一部分发生故障，即利用振动信号实现确切的故障定位。振动信号可利用传感器测得，振动信号的分析则有时域、频域、小波等等处理办法。

2.2振动信号测试与分析

振动信号测试分析最常用的是模态分析的方法。模态是结构系统的固有振动特性，每一个模态有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，其实质是一种坐标变换，目的在于把原物理坐标系统中描述的相应向量，转换到“模态坐标系统”中，然后根据频率、阻尼、模态振型这些本质特征来描述结构。

在这一分析过程中，可利用有限元分析软件Ansys对变压器进行三维实体建模和模态分析求解，得到正常和故障状态下变压器各阶固有频率和对应的振型；与此同时，还可以通过试验进行分析，其主要流程是，首先通过在变压器表面广布测点进行测试，得到振动的最佳测点；利用最佳测点，在负载和空载下，模拟故障工况，得到不同工况下的振动信号。最后，综合分析，得到变压器正常及故障状态下振动信号的幅值特性和频率特性。

2.3变压器故障的数值模拟

对变压器的数值模拟，可以用软件Ansys实现，它融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，可以用来求解多种工程实际中的问题。使用Ansys对变压器（油浸式）进行三维实体建模和求解的过程如下：

（1）根据实测变压器几何尺寸，建立变压器的几何结构模型。

（2）设置绕组、铁芯、箱体等部件的材料属性，包括密度、泊松比及弹性模量值等。

（3）对几何模型进行合理网格划分，并设定自由度约束。

（4）对模型进行相关分析（模态、谐响应、瞬态分析等）

（5）将计算结果与实验结果进行比对，根据实验结果对模型进行修正。

（6）将模型修正后，重复计算。

下面以某变压器的高压绕组松动故障为例说明振动法数值模拟的基本过程。根据变压器绕组的实际结构，绕组线饼等效为实体圆环，共66饼，饼间均匀分布8块垫块。单元总数为81 400，模型节点总数为539 976。如图4所示。

图4　变压器高压绕组有限元模型

在绕组底部施加固定端约束，并施加轴向预紧力，得到绕组前4阶的振型如图5所示。

图5　变压器高压绕组正常工况下前4阶振型

将轴向预紧力缩小为原来的50%，模拟绕组松动的工况，得其前4阶模态振型如图6所示。

图6　变压器高压绕组松动工况下前4阶振型

前后两次模态分析的前4阶频率对比如表2所示。

表2　绕组前4阶固有频率结果对比

通过模态分析的结果，可以发现，随着预紧力变小，绕组的固有频率会相应地变小，即可以得出松动工况下，绕组的固有频率会变小这一结论。

在变压器故障诊断分析中，相关研究多是对一个或几个部件单独分析。这些研究有一定的意义，但因未考虑变压器的其他因素，与实际情况存在差距，对指导实际故障诊断乏善可陈。在振动信号实际测量时，只能测量油箱表面的振动信号，无法获得各部件的振动信号。因此，如果用油箱表面测得的振动信号与算得的各部件参数作对比分析，无疑会有较大误差。而将变压器整体建模，充分考虑各个因素的影响，将会大大增强计算结果的准确性与价值。

3　振动法故障诊断的国内外研究概况

3.1国外发展状况

从上世纪80年代中期开始，国外就有相关针对变压器油箱表面的振动信号特征的研究。具体的工作主要是研究变压器振动模型的建立问题，围绕变压器的振动模型参数与振动信号之间的关系、振动信号本身的变化规律等方面开展研究。但这些均局限于变压器振动信号本身以及其振动模型的建立，并未深入研究振动信号在故障诊断上的应用［7-9］。

20世纪90年代中后期，提出在线监测变压器表面振动信号的设想，振动信号在故障诊断方面的研究工作也开始展开。已有美国、俄罗斯和加拿大等几个国家对振动信号分析法进行了初步研究，俄罗斯已经进入现场试用，结果证实该法适于各类变压器。但未对振动特性进行充分研究，如对绕组、铁芯等振动的影响因素研究不足，因此分析需要丰富的经验［8-9］。

此外，西班牙的Garcia和Burgos等人研究了振动信号在传播路径上相位、幅值变化情况，及其与电路、电压、温度之间的关系［10-13］。美国的Z.Berler等和加拿大的Peter等将负载下测得的铁芯振动信号从整体信号中分离，得到绕组的振动信号，对其进行傅立叶变化后得到振动信号的频率响应［14-15］。这些相关研究对振动信号分析方法的发展具有重要意义。

3.2国内发展状况

国内的相关研究，西安交通大学起步最早，它在振动法的应用和机理上做了初步研究；此外，上海交通大学用建模方法分析变压器振动也取得了一些成果，但变压器振动故障诊断的深入研究还有许多方面工作要做［16］。

目前，国内对变压器振动与测试方面的研究重点，主要集中在以下三个方面：一是通过研究变压器发生振动的机理，进行故障原因、故障发展与趋势预测等分析；二是分析变压器产生的振动信号，包括谱分析、噪音分离技术等；三是对变压器振动监测系统的研制，包括测点布置、信号隔离及故障分析等［3］。当前国内相关的主要研究总结如下：

西安交大汲胜昌等［17］利用变压器振动测试系统，对空载条件下铁芯的振动和负载条件下绕组的振动进行研究。最后，得出空载状况下铁芯的振动和电压大小有关，且振动信号的基频（100 Hz处）幅值与电压的平方呈线性关系；绕组的振动水平与负载电流大小有关，其振动信号的基频成分与负载电流的平方呈较好的线性关系。研究内容对于推广振动信号分析法具有重要意义。

此外，他们还结合振动法原理，根据测量对象的特点，在合理选择仪器及测试措施的基础上，发明了一套完整的测试系统，并利用该系统成功地测取变压器在空载条件下铁心的振动信号［18］。其研究结果表明，利用振动法对变压器进行在线监测是能够实现的。

上海交大的谢坡岸等利用变压器振动故障诊断法，研究了1台500 kVA、10 kV/0.4 kV模拟变压器在空载状况下其箱壁振动加速度幅值和绕组压紧力之间的关系［19］。通过贴在变压器器身上的振动传感器来监测空载时变压器器身振动加速度信号的变化情况，从而诊断内部绕组的压紧情况。该方法简单方便，并且与整个导电系统没有电气连接，能够实现安全、稳定地进行在线监测。

此外，他们还利用有限元模型及振动试验的测试结果得到绕组在不同预紧力下的特性参数；进而结合测量的变压器箱体壁振动，整体模型，及绕组的特性参数来分析绕组预紧力的状况［20］。结果表明，预紧力变化对振动信号有较明显影响，利用算得的响应变化图表可预测绕组线圈的压紧状况。研究为通过检测箱盖和箱壁的振动来诊断绕组的压紧状况积累了经验。

华中科大颜秋容等利用从振动信号中提取有效特征来监测变压器器身振动信号预估其机械故障［21］。在小波分析结果和振动信号特点的基础上，提出了频段-能量方法，实现振动不同频段能量分布的量化分析。其结果表明，小波变换在提取振动信号特征方面优势很大，利用这一方法，还可以获取实时振动信号各频段上的能量分布状态，据此可有效进行变压器机械故障的在线诊断。

广东电网樊小鹏等对变压器采用了隔振处理，来降低变压器产生的结构噪声［22］。广东电网邓小文利用复小波变换法对变压器绕组的模态参数进行识别，识别精度较高，且具有较好的抗干扰性能，可为变压器绕组结构振动特性分析及基于振动分析法的变压器绕组状态监测提供依据［23］。

4　变压器振动法故障诊断发展趋势展望

从目前的研究现状来看，利用振动法进行变压器故障诊断上依旧存在很多问题，其难点在于如何建立最符合实际的有限元模型，特别是如何模拟绝缘油对变压器振动的影响，目前暂未见有相关研究报道。此外，如何通过振动信号的特征参数来判断变压器的故障状态则是另一个难题。

因此，从理论上看，亟待加强对变压器振动故障的机理研究，主要包括：故障模型的建立与分析、振动信号与故障的对应关系、故障判定准则的确定、故障诊断趋势预测、振动信号测试与分析方法等等。从实践上看，变压器振动故障在线监测诊断系统的研发方面还有很多的工作要做。比如，测试仪器的选择、测点的布置、抗干扰措施的研究、还有检测软件的开发等等。具体而言，未来变压器振动法故障诊断的研究可以从以下几个方面展开：

（1）建立变压器的振动模型进行分析，研究典型故障对其振动模型的影响。通过对变压器故障产生原因以及故障机理进行分析，建立故障振动响应关系。

（2）通过故障数据分析研究故障评判指标，对典型故障进行区分。结合故障响应实验数据对理论结果进行修正，提取变压器典型故障特征。

（3）将最终的研究成果应用到变压器振动故障中，判别故障种类，为变压器的检修和维护提供理论支撑，为传统振动故障诊断方法进行补充并提供新的思路。

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Review of Fault Diagnosis for Power Transformers Based on Vibration SignalAnalysis

WANG Guang-ting1，Ll Yang-hai1，YANGTao2，SU Shi-wei2，ZHAO Jia-yi2
（1.State Grid Hubei Electric Power Testing&Research Institute，Wuhan 430077，China；2.Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

In recent years，the method of fault diagnosis for transformers based on their vibration signals has become a new research focus.This method is a powerful substantial supplement of the traditional method for power transformer’s fault diagnosis.This paper describes the common faults and their diagnostic methods of power transformers，and elaborates the basic process and the basic principles of this diagnosis method.Furthermore，this paper reviews the development of the fault diagnosis technology for power transformers and points out the problems and difficulties of fault diagnosis of transformers.Finally，this paper presents the valuable research concentrations of transformer’s fault diagnosis in the future.

vibration and wave；transformer；vibration signal analysis；fault diagnosis

TM4

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.031

1006-1355（2016）05-0150-05+179

2016-04-01

王广庭（1978-），男，武汉市人，硕士，主要研究方向为旋转机械振动故障诊断和汽轮机试验研究。E-mail:99873978@qq.com